Ученые IBM измеряют уровни энергии одиночных молекул на изоляторах

Шади Фатайер , предварительная подготовка в IBM Research и первый автор статьи

Наше понимание одномолекулярной электроники стало более ясным, и ответ заключался в использовании обычного предмета домашнего обихода - соли.

Основываясь на предыдущей статье 2009 года, в которой ученые и сотрудники IBM продемонстрировали способность измерять зарядовое состояние отдельных атомов с помощью бесконтактной атомно-силовой микроскопии (АСМ), они сделали еще один шаг вперед, измеряя уровни энергии отдельных молекул на изоляторы, впервые. Исследование публикуется сегодня в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology . .

Изобретенный в середине 1980-х годов атомно-силовой микроскоп измеряет крошечные силы между зондом и образцом, например, молекулой на опоре. Наконечник - это универсальный точный инструмент, который может отображать молекулы с беспрецедентным разрешением и даже запускать невиданные ранее молекулярные реакции.

Масштабирующая электроника

Функциональная плотность Теоретический анализ нафталоцианина на NaCl (5 мл). Двумерный контурный график рассчитанной разности зарядов между NPc + и NPc0, интегрированный наружу от молекулярной гео + гео + плоскости к вакуумной области. (Источник:Nature Nanotechnology)

Если бы вы когда-нибудь взламывали электронное устройство любого типа, например компьютер или даже цифровой будильник, вы бы обнаружили так называемую печатную плату (PCB). Эти обычно зеленые доски выглядят как карты, на которых показаны все электронные компоненты устройства, в том числе так называемые проводящие дорожки. Эти рельсы проводят электрический ток, как рельсы, по всей доске, поэтому устройство может работать. Платы также содержат изоляционные слои, которые защищают дорожки от утечки тока. Без этих слоев даже небольшие электронные устройства потребовали бы больше энергии для работы.

При оценке основных строительных блоков того же ПК или часов, но в молекулярной электронике, мы увидим аналогичную установку с одиночными молекулами в качестве проводящих дорожек и одиночными электронами, передаваемыми от молекул. В то время как изолирующий слой полезен на печатной плате, аналогичная нижележащая изолирующая подложка в этом масштабе имеет дополнительные эффекты, которые необходимо учитывать.

«Заряжая молекулу на изоляторе, атомы в молекуле релаксируют, чтобы приспособиться к этому дополнительному заряду и, что не менее важно, ядра в изоляторе. Поскольку молекула находится на поверхности изолятора, электронная характеристика такой системы очень трудна ». - сказал Шади Фатайер, докторант IBM Research и первый автор статьи.

Он добавляет:«Это изменение положения атомов влияет на их энергетические уровни, что имеет серьезные последствия с точки зрения переноса одного электрона между молекулами. Скорость переноса электронов можно регулировать на несколько порядков ».

Щелкните для анимации

Команда ученых из IBM, Ливерпульского университета, Университета Чалмерса и Университета Регенсбурга попробовала другой подход к решению этой проблемы.

Сначала они вырастили многослойный NaCl, также известный как хлорид или соль натрия, служащий изоляционным материалом, поверх металлической подложки. Такая система позволяет молекулам, которые поглощаются сверху, иметь стабильные зарядовые состояния и быть изолированными от поверхности металла.

Затем команда задумалась:«Как измерить энергию реорганизации?» Экспериментально это делается с молекулами в растворе, с молекулами на поверхности металла, но до сих пор не существовало метода, позволяющего исследовать отдельные молекулы на поверхности изолятора.

Их уникальный подход заключается в использовании АСМ и одиночных электронов. Одиночные электроны используются для исследования переходов между зарядовыми состояниями двух определенных зарядовых состояний в обоих направлениях. В ходе эксперимента ученые проверяют свой метод на одной молекуле нафталоцианина.

Исследователи IBM Шади Фатайер, Лео Гросс и Герхард Мейер в своей лаборатории.

Как было опубликовано ранее, авторы знали, что они могут надежно использовать АСМ для измерения различных зарядовых состояний на сверхтонком изоляторе с одноэлектронной чувствительностью. Они также недавно продемонстрировали визуализацию стабильно заряженных молекул, а также передачу отдельных электронов между молекулами поверх более толстого изолятора. Однако возможность измерения энергии реорганизации требует измерения уровней энергии, соответствующих конкретным переходам между зарядовыми состояниями.

«До этой работы мы знали, как измерить электрический ток через молекулу. Однако это работало только в одном направлении для данной орбиты. Когда мы могли измерить энергию для присоединения электрона к определенной орбитали, мы никогда не смогли бы измерить энергию для удаления одного электрона с этой орбитали и наоборот. «Возможность измерения в обоих направлениях - этого не хватало», - сказал физик IBM Лео Гросс. «С помощью нашего метода АСМ мы измеряем уровни энергии в обоих направлениях изменения зарядового состояния на тонкопленочной подложке. Но это невероятно сложная работа, связанная с очень слабыми сигналами, а это означает, что для проведения надлежащего статистического анализа необходимо множество тщательных измерений ».

Он добавляет:«Используя эту новую методологию, мы используем наконечник и силу, действующую на наконечник, для подсчета отдельных электронов. Мы регулируем высоту наконечника и напряжение, а затем подсчитываем, сколько времени требуется одному электрону, чтобы перейти к (или от) наконечнику, и отсюда вы можете получить уровни энергии ».

«Наша самая большая проблема заключалась в том, что наконечник находился дальше, чем обычно, для надлежащего измерения событий туннелирования», - добавляет Фатайер. «Очень слабые силы, которые мы измерили, связаны с токами по шкале зептоампера - это от 10 до минус 21 (10 ^{- 21} ). Большинству физиков никогда не нужно использовать этот префикс, но мы делаем это, измеряя один электрон каждые несколько секунд. Мы буквально используем АСМ как одноэлектронный измеритель тока ».

Хотя это очень фундаментальное исследование, его приложения охватывают от электронных устройств, например, для определения характеристик дефектов в микросхемах, до фотоэлектрических и органических полупроводников.

<час />

Энергия реорганизации при зарядке одиночной молекулы на изоляторе, измеренная с помощью атомно-силовой микроскопии Шади Фатайер, Бруно Шулер, Вольфрам Штерер, Иван Скиветти, Яша Репп, Лео Гросс, Матс Перссон и Герхард Мейер, DOI: 10.1038 / s41565-018-0087-1